FR3123341A1 - Microsystème électromécanique - Google Patents

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Laurent Mollard
Stéphane Nicolas
Damien Saint-Patrice
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate

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Abstract

Titre : Microsystème électromécanique L’invention concerne un microsystème électromécanique 1 comprenant deux transducteurs électromécaniques 11a et 11b, une membrane déformable 12 et une cavité 13 contenant hermétiquement un milieu déformable 14 conservant un volume constant sous l’action d’un changement de pression externe. La membrane forme une paroi de la cavité et présente au moins une zone libre 121 de se déformer. Chaque transducteur est configuré de sorte que son mouvement soit fonction dudit changement de pression externe, et inversement. Chaque transducteur s’inscrit dans une zone périphérique 123 entourant la zone libre et en forme une portion 123a, 123b de secteur angulaire. La zone libre étant destinée à coopérer avec un organe externe 2 de sorte que sa déformation induise, ou soit induite par, un mouvement de l’organe externe, le microsystème électromécanique 1 est ainsi apte à déplacer l’organe externe ou à capter un mouvement de cet organe. Figure pour l’abrégé : Fig. 1A

Description

Microsystème électromécanique
La présente invention concerne le domaine des microsystèmes électromécaniques. Elle trouve par exemple pour application particulièrement avantageuse l’actionnement ou le déplacement d’objets, y compris sur des distances relativement grandes. Elle trouve également pour application des dispositifs de préhension qui permettent la capture ou l’expulsion d’objets de petites tailles. L’invention trouve également pour application le domaine de la détection par contact. Elle pourra ainsi être mise en œuvre pour réaliser des capteurs.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Dans des applications variées, on peut avoir besoin de déplacer, capturer ou expulser des objets microscopiques, voire nanoscopiques, et/ou avoir besoin de capter des mouvements de tels objets. Il existe des microsystèmes qui permettent cela.
Lorsque ces microsystèmes sont des actionneurs ou des dispositifs de préhension, leurs performances sont évaluées notamment sur les paramètres suivants: l’amplitude du déplacement, la force déployée, la précision du déplacement généré ou encore la précision de la capture et/ou de l’expulsion d’un objet. Lorsque ces microsystèmes sont des capteurs, leurs performances sont évaluées notamment sur les paramètres suivants: la capacité à capter un mouvement.
Par ailleurs, que les microsystèmes soient des actionneurs, des dispositifs de préhension ou des capteurs, on recherche à ce qu’ils offrent de bonnes performances en termes d’encombrement, de consommation énergétique et de capacité à travailler en fréquence.
Toutes les solutions connues présentent des performances faibles pour l’un au moins de ces paramètres. Généralement, les microsystèmes existants présentent des performances trop peu satisfaisantes pour une combinaison de ces paramètres.
Un objet de la présente invention est de proposer un microsystème électromécanique qui présente des performances améliorées par rapport aux solutions existantes, au moins pour l’un des paramètres mentionnés ci-dessus, ou qui présente un meilleur compromis concernant au moins deux des paramètres susmentionnés.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RÉSUMÉ
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation, on prévoit un microsystème électromécanique comprenant:
  • au moins des premier et deuxième transducteurs électromécaniques comprenant chacun une partie mobile entre une position d’équilibre, hors sollicitation, et une position hors équilibre, sous sollicitation,
  • au moins une membrane déformable,
  • une cavité déformable, délimitée par des parois, au moins une partie de la membrane déformable formant au moins une partie d’une première paroi prises parmi lesdites parois de la cavité.
La cavité est configurée pour contenir hermétiquement un milieu déformable propre à conserver un volume sensiblement constant sous l’action d’un changement de pression externe exercée sur le milieu déformable à travers l’une des parois de la cavité.
La partie mobile de chaque transducteur électromécanique est configurée de sorte que son mouvement soit fonction dudit changement de pression externe, ou inversement que son mouvement induise un changement de pression externe.
Ladite au moins une partie de la membrane déformable présente au moins une zone libre de se déformer, de préférence de façon élastique, en fonction dudit changement de pression externe.
La partie mobile de chaque transducteur électromécanique s’inscrit dans une portion de secteur angulaire centré en un point de la zone libre de la membrane déformable, ladite portion de secteur angulaire étant délimitée par un pourtour extérieur de la zone libre de la membrane déformable et par un pourtour extérieur d’une zone périphérique entourant la zone libre de la membrane déformable.
La portion de secteur angulaire dans laquelle s’inscrit la partie mobile d’un transducteur électromécanique est distincte de la portion de secteur angulaire dans laquelle s’inscrit la partie mobile de tout autre transducteur électromécanique.
Ainsi, les parties mobiles des transducteurs électromécaniques entourent une partie au moins de la zone libre de la membrane déformable.
Le microsystème électromécanique tel qu’introduit ci-dessus forme tout ou partie d’un actionneur ou d’un capteur ou d’un dispositif de préhension permettant de déformer la zone libre de la membrane de façon dissymétrique par rapport au barycentre de la zone libre. Il permet ainsi d’obtenir une gamme de déformations variée. Par conséquent, l’invention permet d’envisager de nombreuses applications.
Plus particulièrement, la partie mobile de chaque transducteur électromécanique recouvre une portion de la membrane déformable qui lui est propre.
En complément, la partie mobile de chaque transducteur électromécanique peut être solidaire de la portion de la membrane déformable qu’elle recouvre.
Par exemple, la partie mobile du premier transducteur électromécanique recouvre une première portion de la membrane déformable et la partie mobile du deuxième transducteur électromécanique recouvre une deuxième portion de la membrane déformable. La première portion de la membrane est disjointe de la deuxième portion de la membrane.
Les portions de secteur angulaire dans laquelle les transducteurs électromécaniques s’inscrivent sont adjacentes ou distantes entre elles.
La partie mobile d’un des transducteurs est distincte et distante de la partie mobile de tout autre transducteur.
Chaque transducteur électromécanique s’étend, à l’opposé de la zone libre de la membrane et au-delà de ladite portion de secteur angulaire, par une partie non mobile. La partie non mobile de chaque transducteur s’inscrit de préférence dans le même secteur angulaire que la partie mobile de ce transducteur.
Le microsystème électromécanique tel qu’introduit ci-dessus est ainsi apte à permettre d’actionner un organe externe, de capter un mouvement imposé à ce dernier, ou de saisir et/ou relâcher un objet, et ce en présentant, de façon aisément modulable en fonction des applications visées, une capacité suffisante en termes d’amplitude de déplacement et/ou une capacité suffisante en termes de force déployée et/ou une capacité de captation de mouvement sur une amplitude et/ou avec une précision suffisantes en termes de déplacement ou de capture de l’objet et/ou une capacité suffisante à travailler en fréquence et/ou une taille compatible avec les applications visées, et/ou une consommation en énergie réduite.
Un autre aspect de l’invention concerne un système ou un microsystème opto-électro-mécanique comprenant au moins un microsystème électromécanique tel qu’introduit ci-dessus et au moins un microsystème optique.
De préférence, le microsystème optique comprend au moins un miroir, de préférence à base de silicium. Le système opto-électro-mécanique est configuré de sorte à ce que le mouvement de la partie mobile du transducteur électromécanique provoque un déplacement, de préférence une inclinaison, de l'au moins un miroir.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique tel qu’introduit ci-dessus, comprenant, voire étant limité à, des étapes de dépôt et de gravure ordinaires en microélectronique. Le microsystème électromécanique peut en effet être fabriqué par des moyens ordinaires de la microélectronique, ce qui confère à son fabricant tous les avantages découlant de l’utilisation de ces moyens, dont une grande latitude en termes de dimensionnement, d’énergie d’adhésion entre les différents dépôts, d’épaisseur des différents dépôts, d’étendue de gravure, etc.
Selon un exemple le procédé de fabrication du microsystème électromécanique comprend les étapes suivantes :
  • une étape de formation, sur un substrat, d’une portion au moins de chacun parmi au moins deux transducteurs électromécaniques, puis
  • une étape de dépôt de la membrane déformable, puis
  • une étape de formation d’une cavité ouverte sur la membrane déformable, puis
  • une étape de remplissage avec le milieu déformable et de fermeture de la cavité, et
  • une étape de gravure du substrat pour former une face avant (FAV) du microsystème électromécanique.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La est un schéma de principe d’une vue en coupe d’un microsystème électromécanique selon un premier mode de réalisation de l’invention, la coupe étant prise selon l’axe A-A illustré sur la .
La est un schéma de principe d’une vue en coupe d’un microsystème électromécanique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, la coupe étant prise selon l’axe A-A illustré sur la .
La est un schéma de principe d’une vue en coupe d’un microsystème électromécanique selon l’un quelconque des premier et deuxième modes de réalisation de l’invention, la coupe étant prise selon l’axe B-B illustré sur la .
La représente une vue de haut de la partie mobile de chaque transducteur et de la zone libre de la membrane selon les premier et deuxième modes de réalisation de l’invention illustrés sur les figures 1A, 1B et 1C.
Les figures 1E à 1H représentent chacune une vue de haut de la partie mobile de chaque transducteur et de la zone libre de la membrane, ces vues étant autant de variantes de l’exemple illustré sur la .
La représente le microsystème illustré en , mais avec un pion décentré relativement à la zone libre de se déformer de la membrane, dans une première configuration de déformation de la membrane.
La représente le microsystème illustré en , dans une deuxième configuration de déformation de la membrane.
La représente le microsystème illustré en , mais avec un pion centré relativement à la zone libre de se déformer de la membrane et dans une troisième configuration de déformation de la membrane.
Les figures 3A, 3B et 3C sont des schémas, plus détaillés que ceux des figures 1A, 1B et 1C, respectivement, mais avec un pion décentré relativement à la zone libre de se déformer de la membrane.
La représente schématiquement un exemple de microsystème opto-électro-mécanique comprenant un microsystème électromécanique.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs des différentes couches, parois et organes illustrés ne sont pas nécessairement représentatives de la réalité.

Claims (26)

  1. Microsystème électromécanique (1) comprenant :
    • au moins des premier et deuxième transducteurs électromécaniques (11a, 11b) comprenant chacun une partie mobile (111a, 111b) entre une position d’équilibre, hors sollicitation, et une position hors équilibre, sous sollicitation,
    • au moins une membrane déformable (12),
    • une cavité (13) déformable, délimitée par des parois (131, 132, 133), au moins une partie de la membrane déformable (12) formant au moins une partie d’une première paroi (131) prises parmi lesdites parois (131, 132, 133) de la cavité (13), la cavité (13) étant configurée pour contenir hermétiquement un milieu déformable (14) propre à conserver un volume sensiblement constant sous l’action d’un changement de pression externe exercée sur le milieu déformable (14) à travers l’une paroi des parois (131, 132, 133) de la cavité (13),
    dans lequel la partie mobile (111a, 111b) de chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) est configurée de sorte que son mouvement soit fonction dudit changement de pression externe, ou inversement que son mouvement induise un changement de pression externe, et dans lequel ladite au moins une partie de la membrane déformable (12) présente au moins une zone libre (121) de se déformer, de préférence de façon élastique, en fonction dudit changement de pression externe,
    dans lequel la partie mobile (111a, 111b) de chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) s’inscrit dans une portion de secteur angulaire centré en un point de la zone libre (121) de la membrane déformable, ladite portion de secteur angulaire étant délimitée par un pourtour extérieur (129) de la zone libre (121) de la membrane déformable (12) et par un pourtour extérieur (130) d’une zone périphérique (123) entourant la zone libre (121) de la membrane déformable (12), et
    dans lequel la portion de secteur angulaire dans laquelle s’inscrit la partie mobile (111a) d’un transducteur électromécanique (11a) est distincte de la portion de secteur angulaire dans laquelle s’inscrit la partie mobile (111b) de tout autre transducteur électromécanique (11b).
  2. Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente, dans lequel la partie mobile (111a, 111b) de chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) recouvre une portion (123a, 123b) de la membrane déformable (12) qui lui est propre.
  3. Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente, dans lequel, entre deux portions (123a, 123b) premières voisines entre elles de la membrane déformable recouverte chacune de la partie mobile (111a, 111b) d’un transducteur électromécanique (11a, 11b), la membrane déformable présente au moins une portion (123ab) s’étendant depuis la zone libre (121) et configurée pour se déformer lorsque l’une au moins parmi les parties mobiles (111a, 111b) des deux transducteurs (11a, 11b) recouvrant lesdites deux portions (123a, 123b) sont sollicités.
  4. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un espace est ménagé entre les parties mobiles (111a, 111b) de deux transducteurs (11a, 11b) s’inscrivant dans des secteurs angulaires consécutifs, chaque espace étant vide propre à se déformer pour accommoder tous mouvements desdites parties mobiles (111a, 111b).
  5. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) et/ou la partie mobile (111a, 111b) de chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) prend sensiblement la forme de la portion de secteur angulaire dans laquelle il s’inscrit.
  6. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone libre (121) forme un disque, une ellipse ou un polygone et/ou dans lequel la zone périphérique (123) présente un pourtour extérieur (130) prenant la forme de la zone libre (121).
  7. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les transducteurs électromécaniques (11a, 11b) sont disposés selon une symétrie de rotation discrète.
  8. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un pion (122), configuré pour prendre appui sur un barycentre (124) de la zone libre (121) de la membrane (12) de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) entraine un déplacement du pion (122) vers le centre de la cavité (13) ou à l’opposé du centre de la cavité (13).
  9. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, la zone libre (121) présentant un pourtour externe (129) et une portion périphérique (126) qui s’étend depuis le pourtour externe (129) et jusqu’à une portion centrale (125) de la zone libre (121), le microsystème électromécanique (1) comprend en outre au moins un pion (122) configuré pour prendre appui sur la portion périphérique (126) de la zone libre (121) de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine une inclinaison du pion (122).
  10. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, en l’absence de déformation, la zone libre (121) de la membrane (12) s’étend principalement dans un plan (xy), dit plan hors déformation, et la perpendiculaire à la tangente en un point donné de la zone libre (121) s’étend selon une direction T1 perpendiculaire au plan hors déformation, et lorsque la membrane (12) se déforme, la perpendiculaire à la tangente en un point donné de la portion périphérique (126) de la zone libre (121) s’étend selon une direction Ti inclinée d’un angle αi par rapport à la direction T1, l’angle αi augmentant au fur à mesure que l’on s’éloigne de la portion centrale (125) et que l’on se rapproche du pourtour externe (129) de la zone libre (121).
  11. Microsystème électromécanique (1) selon les deux revendications précédentes dans lequel le pion (122) s’étend principalement selon une direction longitudinale (122c) et dans lequel lorsque la membrane (12) n’est pas déformée, la direction longitudinale (122c) du pion (122) est sensiblement perpendiculaire à un plan (xy) dans lequel s’étend principalement une face externe (12e) de la membrane (12) lorsque la membrane (12) n’est pas déformée, le microsystème électromécanique étant configuré de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine une inclinaison de la première extrémité (122a) en direction de la portion centrale (124) de la zone libre (121).
  12. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel la zone libre (121) est délimitée par un pourtour externe (129), le pion (122) étant situé à une distance minimale D122 du pourtour externe (129), telle que D122 est inférieure à k fois une distance D124,
    • D122 étant mesurée entre et le pion (122) et le point (128) du pourtour externe (129) le plus proche du pion (122), et
    • la distance D124 étant mesurée entre ce même point (128) et le centre (124) de la zone libre (121),
    k étant inférieur à 0.7, de préférence k étant inférieur à 0.5, de préférence k étant inférieur à 0.3
  13. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes, comprenant une pluralité de pions (122), prenant chacun appui sur la portion périphérique (126) de la zone libre (121) de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine une inclinaison des pions (122).
  14. Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente, dans lequel les pions (122) présentent une extrémité libre (122b), opposée à l’extrémité (122a) par laquelle ils prennent appui sur la portion périphérique (126) de la zone libre (121), les pions (122) étant conformés de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine sélectivement un rapprochement ou un éloignement des extrémités libres (122b) des pions (122).
  15. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel les pions (122) sont conformés de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine sélectivement une mise en contact ou un éloignement des extrémités libres (122b) des pions (122).
  16. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel les pions (122) sont répartis sur la portion périphérique (126) de sorte que le rapprochement de leurs extrémités libres (122b) permette de former une cage au-dessus de la zone libre (121).
  17. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes, dans lequel les pions (122) sont disposés selon une symétrie de rotation discrète.
  18. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des cinq revendications précédentes, dans lequel, le microsystème comprenant autant de pions (122) que de transducteurs électromécaniques, chaque pion (122) prend appui sur une portion de la zone libre (121) délimitée par l’intersection de la portion périphérique (126) de la zone libre (121) avec un secteur angulaire, ce dernier étant celui dans lequel un des transducteurs électromécaniques s’inscrit.
  19. Microsystème électromécanique (1) selon la revendication 8 ou l’une quelconque des revendications 9 à 18, dans lequel le ou les pions (122) sont fixés sur ladite zone libre (121), de préférence au contact directe de ladite zone libre (121).
  20. Microsystème électromécanique (1) la revendication 8 ou l’une quelconque des revendications 9 à 18, dans lequel le ou les pions (122) sont configurés pour coopérer avec un ou plusieurs objets formant un organe externe (2) de sorte que le mouvement de la partie mobile (111a, 111b) de chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) soit fonction d’un déplacement du ou des pions (122) entrainés par l’organe externe (2) ou inversement que le mouvement de la partie mobile (111a, 111b) de chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) induise un déplacement, en particulier une inclinaison, de l’organe externe (2) par l’intermédiaire du ou des pions (122).
  21. Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente, dans lequel le ou les pions (122) sont configurés pour pouvoir être solidarisé avec l’organe externe (2) par collage ou magnétisme.
  22. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, comprenant en outre au moins une butée latérale (15), de préférence supportée par ladite première paroi (131) de la cavité (13), configurée pour guider le mouvement de l’organe externe (2).
  23. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 18, dans lequel au moins certains des transducteurs électromécaniques (11a, 11b) sont configurés pour que, sous sollicitation, leurs parties mobiles (111a, 111b), induisent des déformations de la zone libre (121) de la membrane (12) entrainant une inclinaison de l’au moins un pion (122) selon une même direction et/ou dans un même sens.
  24. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 18, dans lequel au moins certains des transducteurs électromécaniques (11a, 11b) sont configurés pour que, sous sollicitation, leurs parties mobiles (111a, 111b), induisent des déformations de la zone libre (121) de la membrane (12) entrainant une inclinaison de l’au moins un pion (122) selon des directions différentes et/ou dans deux sens opposés.
  25. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la membrane déformable (12) est configurée de sorte que sa zone libre (121) est capable de se déformer avec une amplitude d’au moins 50 µm, voire d’environ 100 µm .
  26. Système opto-électro-mécanique (3) comprenant au moins un microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et au moins un microsystème optique (31), le microsystème optique (31) comprenant au moins un miroir, de préférence à base de silicium, le système opto-électro-mécanique (3) étant configuré de sorte à ce que le mouvement de la partie mobile (111a, 111b) de chaque transducteur électromécanique (11a, 11b) provoque un déplacement de l'au moins un miroir.
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